CN105011899A - 一种实验动物眼位曲率半径及瞳孔直径的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实验动物眼位曲率半径及瞳孔直径的计算方法，该方法采用光学仪器测量，并通过数字化模拟将测量图片转化为数学几何图形的方式，运用数学计算得出实验动物眼位曲率半径及瞳孔直径。其优点表现为：本发明方法采用Matlab编写程序，对拍摄图片进行边缘检测，坐标识别及曲线拟合，通过数字化模拟，运用数学公式的计算极大地增加了结果的准确性与可靠性，克服了传统方法测量的缺陷，减小测量误差，增强测量可行性。
Description
【技术领域】
本发明涉及眼科学基础研究生物参数测量技术领域，具体地说，是一种实验动物眼位曲率半径及瞳孔直径的计算方法。
【背景技术】
现代生命科学研究要求动物实验结果精确可靠，重复性好并具有可比性，即不同的人在不同的时间、不同的空间，做相同的动物实验，能得到完全一样的实验结果。这就要求我们要选用标准化的实验动物，在标准的条件下进行实验。豚鼠作为一种良好的实验性动物在实验性近视模型及视网膜生理中的研究越来越多，因此对豚鼠眼位及眼球形态的测量也逐渐成为实验性近视模型及视网膜生理研究的一项至关重要的课题。
目前测量像豚鼠这样的啮齿类动物眼球形态结构的参数，包括眼轴长度、曲率半径、眼球中心点、最大轴长及最短轴长等。
活体眼轴长度的测量一般是由在人眼上应用的A超测量法，如BME-200眼科A/B型超声诊断仪；曲率半径一般是由曲率计来测量，如目前使用的OM-4型角膜曲率计，由于基于人眼数据设计，在对豚鼠进行测量时，需要加用+8.0D球镜进行换算。
以上这些方法技术虽然能够满足目前研究所需，但仍存在不足之处：
1.A超测量仪测量豚鼠眼轴，因为豚鼠眼球过小，基于人眼设计的仪器无法自动识别并读数；另外，由于豚鼠无法像人那样配合操作，导致测量时眼轴数值常常十分不可靠，无法确定测量结果是否为眼球后极部顶点。
2.目前市面上的曲率计标准均以人眼为基准设计，豚鼠眼球较小，仅为人类眼球的不到三分之一，用常规曲率计测量豚鼠超出正仪器测量范围，需要在镜头前放置+8D镜片，再进行矫正，在测量时因豚鼠无法像人眼那样固视，眼位常常无法固定，测量结果稳定性较差，数值的波动使得在以豚鼠这样的动物作为实验模型时，对干预结果的判断造成困难。
3.至今对豚鼠眼位及瞳孔大小的测量，仍缺乏一种精确的测量方法，而该数值的测量对进一步了解豚鼠生理结构与人眼差异十分重要。
综上所述，测量实验动物眼位曲率半径及瞳孔直径的计算方法亟需改进，并且关于数字化模拟及测量计算实验动物眼位曲率半径及瞳孔直径的方法目前还未见报道。
【发明内容】
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种实验动物眼位曲率半径及瞳孔直径的计算方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种实验动物眼位曲率半径及瞳孔直径的计算方法。该方法采用光学仪器测量，并通过数字化模拟计算得出实验动物眼位曲率半径及瞳孔直径，包括以下步骤：
a.使用光学仪器拍摄实验动物图片：拍摄实验动物侧面图片、正前方及正上方图片，同时在实验动物眼球一边放置标尺，对实验动物的眼轴长度进行尺度标记；
b.图片导入：将步骤a1拍摄的图片导入Matlab数学分析软件，根据图片分辨率在Matlab中设置二维坐标系，使图片的每个点在Matlab中均有其对应的坐标值；
c.图片处理：将导入的图片通过canny算子法对其进行边缘检测，去除非目标区域，保留瞳孔曲线和角膜曲线；
d.曲线拟合：使用find函数对双眼角膜曲线进行坐标识别，即可获得实验动物角膜曲线坐标，再根据最小二乘法原理，分别进行圆锥曲线拟合以及圆曲线拟合；
e.计算：对于圆锥曲线拟合的结果计算拟合曲线倾斜度，得到实验动物眼位的角度；通过圆曲线拟合的结果计算眼位曲率半径和瞳孔直径，通过圆方程式，即可计算出圆心及直径，并进一步计算出拟合圆的面积，即瞳孔面积。
步骤a中拍摄实验动物图片过程中，分辨率要保持不变。
步骤c中所述的保留角膜曲线包括：侧面拍摄得到的单侧瞳孔曲线、正前方及正上方拍摄得到的分别只保留左眼角膜曲线和只保留右眼角膜曲线。
所述的实验动物侧面图片只需进行圆曲线拟合，用于计算瞳孔直径，所述的实验动物正前方及正上方图片进行圆锥曲线拟合以及圆曲线拟合，用于计算实验动物眼位的角度和眼位曲率半径。
所述的计算瞳孔直径和曲率半径的数值是通过实测距离与测量的像素值的等比例换算得到的，换算过程如下：图片导入Matlab中以后，选取刻度尺上相距1mm的点，并记录下这些点在二维坐标系中的坐标点：(m1,n1)、(m2,n2)、……、(mi,ni)，运用公式：Li 2＝(mi+1-mi)2+(ni+1-ni)2计算出相邻两点间平均距离Li，再通过计算公式：Y＝(L1+L2+……+Li)/i，即可计算1mm距离的象素值Y，最终得出实测距离与测量的像素值的等比例换算式。
本发明优点在于：
本发明方法采用Matlab编写程序，对拍摄图片进行边缘检测，坐标识别及曲线拟合，通过数字化模拟，运用数学公式的计算极大地增加了结果的准确性与可靠性，克服了传统方法测量的缺陷，减小测量误差，增强测量可行性。
【附图说明】
附图1是使用光学仪器拍摄实验动物图片。
附图2是图片导入、图片处理及曲线拟合。
附图3是边缘检测去除非目标区域后获得的瞳孔曲线。
附图4是边缘检测得到的角膜曲线。
附图5是去除非目标区域后获得的左眼角膜曲线。
附图6是缩瞳后豚鼠瞳孔的拟合曲线图。
附图7是缩瞳前后豚鼠瞳孔的拟合曲线对比示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
本具体实施方式中的实验动物以豚鼠为例进行说明。
如附图1所示，使用光学仪器拍摄豚鼠图片：拍摄豚鼠侧面图片、正前方及正上方图片，同时在豚鼠眼球一边放置标尺，对豚鼠的眼轴长度进行尺度标记。本例所说的光学仪器是指微距仪，在拍摄过行中应保持微距仪的分辨率不发生变化，这样在进行计算时，所有参数都可采用统一换算公式进行实测距离与测量的像素值的等比例换算。换算过程将在下文进行说明。
如附图2所示，将上述拍摄的图片导入Matlab数学分析软件，根据图片分辨率在Matlab中设置二维坐标系，本例中图片分辨率为1024*1024，则在Matlab中设置的二维坐标系横坐标x，纵坐标y，使图片的每个点在Matlab中均有其对应的坐标值。将导入的图片通过canny算子法对其进行边缘检测，去除非目标区域，保留豚鼠的瞳孔曲线和角膜曲线。侧面拍摄得到的单侧瞳孔曲线如附图3所示、正前方及正上方拍摄得到的角膜曲线如图4所示，图4为还未去除非目标区域使得图像，在进行去除非目标区域时，我们将左右眼角膜曲线分开处理，即只保留左眼角膜曲线或只保留右眼角膜曲线。如附图5所示，为处理后的左眼角膜曲线。
使用find函数对双眼角膜曲线进行坐标识别，即可获得豚鼠角膜曲线坐标，再根据最小二乘法原理，分别进行圆锥曲线拟合以及圆曲线拟合。这里在进行拟合的过程中，豚鼠侧面图片即瞳孔曲线只需进行圆曲线拟合，用于计算瞳孔直径。豚鼠正前方及正上方图片及角膜曲线，进行圆锥曲线拟合以及圆曲线拟合，用于计算豚鼠眼位的角度和眼位曲率半径。这里曲线拟合采用圆锥曲线通用方程：Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F＝0拟合曲线，优点在于可以拟合包括双曲线、椭圆、抛物线及圆等多种曲线，并能计算出曲线倾斜度，进而精确地获得豚鼠眼位的角度。通过圆方程式，可计算出圆心及直径，并进一步计算出拟合圆的面积，即瞳孔面积。
计算瞳孔直径和曲率半径的数值是通过实测距离与测量的像素值的等比例换算得到的，换算过程如下：图片导入Matlab中以后，选取刻度尺上相距1mm的点，并记录下这些点在二维坐标系中的坐标点：(m1,n1)、(m2,n2)、……、(mi,ni)，运用公式：Li 2＝(mi+1-mi)2+(ni+1-ni)2计算出相邻两点间平均距离Li，再通过计算公式：Y＝(L1+L2+……+Li)/i，即可计算1mm距离的象素值Y，最终得出实测距离与测量的像素值的等比例换算式。本实施例中，为计算方便准确，将侧面拍摄豚鼠瞳孔的图片中瞳孔圆心作为基准点，依次选取距该点1mm、2mm、……、imm的点的坐标，按照上述公式进行计算得出1mm距离所对应的象素值Y。
实施例：通过拟合曲线研究豚鼠用药前后瞳孔变化。
附图6是用药后，豚鼠产生缩瞳反应后，对其瞳孔进行曲线拟合的结果。对于拟合曲线通过圆方程式，可计算出圆心及直径，并进一步计算出圆的面积，即瞳孔面积。图7是将缩瞳后的瞳孔拟合曲线与缩瞳前的拟合曲线置于同一坐标下进行比较的结果，从附图7中可明显看出豚鼠缩瞳前后，瞳孔直径的变化。同时可计算出缩瞳前后瞳孔直径的具体数值，将该数值对应于用相应药量，从而可以准确研究一定量药物下，豚鼠瞳孔散瞳或缩瞳时所发生的细微数值的变化。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种实验动物眼位曲率半径及瞳孔直径的计算方法，其特征在于，采用光学仪器测量，并通过数字化模拟计算得出实验动物眼位曲率半径及瞳孔直径，包括以下步骤：
a.使用光学仪器拍摄实验动物图片：拍摄实验动物侧面图片、正前方及正上方图片，同时在实验动物眼球一边放置刻度尺，对实验动物的眼轴长度进行尺度标记；
b.图片导入：将步骤a1拍摄的图片导入Matlab数学分析软件，根据图片分辨率在Matlab中设置二维坐标系，使图片的每个点在Matlab中均有其对应的坐标值；
c.图片处理：将导入的图片通过canny算子法对其进行边缘检测，去除非目标区域，保留瞳孔曲线及角膜曲线；
d.曲线拟合：使用find函数对双眼角膜曲线进行坐标识别，即可获得实验动物角膜曲线坐标，再根据最小二乘法原理，分别进行圆锥曲线拟合以及圆曲线拟合；
e.计算：对于圆锥曲线拟合的结果计算拟合曲线倾斜度，得到实验动物眼位的角度；通过圆曲线拟合的结果计算眼位曲率半径和瞳孔直径，通过圆方程式，即可计算出圆心及直径，并进一步计算出拟合圆的面积，即瞳孔面积。
2.根据权利要求1所述的一种实验动物眼位曲率半径及瞳孔直径的计算方法，其特征在于，步骤a中拍摄实验动物图片过程中，分辨率要保持不变。
3.根据权利要求1所述的一种实验动物眼位曲率半径及瞳孔直径的计算方法，其特征在于，步骤c中所述的保留角膜曲线包括：侧面拍摄得到的单侧瞳孔曲线、正前方及正上方拍摄得到的分别只保留左眼角膜曲线和只保留右眼角膜曲线。
4.根据权利要求1所述的一种实验动物眼位曲率半径及瞳孔直径的计算方法，其特征在于，所述的实验动物侧面图片只需进行圆曲线拟合，用于计算瞳孔直径，所述的实验动物正前方及正上方图片进行圆锥曲线拟合以及圆曲线拟合，用于计算实验动物眼位的角度和眼位曲率半径。
5.根据权利要求1和4所述的一种实验动物眼位曲率半径及瞳孔直径的计算方法，其特征在于，所述的计算瞳孔直径和曲率半径的数值是通过实测距离与测量的像素值的等比例换算得到的，换算过程如下：图片导入Matlab中以后，选取刻度尺上相距1mm的点，并记录下这些点在二维坐标系中的坐标点：(m1,n1)、(m2,n2)、……、(mi,ni)，运用公式：Li 2＝(mi+1-mi)2+(ni+1-ni)2计算出相邻两点间平均距离Li，再通过计算公式：Y＝(L1+L2+……+Li)/i，即可计算1mm距离的象素值Y，最终得出实测距离与测量的像素值的等比例换算式。
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